Batterieherstellung der Zukunft – mithilfe von Künstlicher Intelligenz

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Im Elektrospinning-Labor der Hochschule Landshut (v. l.): Prof. Dr. Karl-Heinz Pettinger mit Viktoria Peterbauer (Projekt IntelliSpin) und Hans-Konrad Weber (Projekt SpinnAP) (Foto: Hochschule Landshut)

Neues Projekt an der Hochschule Landshut entwickelt selbstlernende Methode für die Herstellung von Batterien und will damit Deutschland im weltweiten Wettbewerb stärken.

Batterien gelten als Schlüsseltechnologie für Elektroautos, Handys oder Energiespeicher. Wir benötigen sie, um die geforderte Energiewende umzusetzen, den Klimawandel zu bekämpfen und die Digitalisierung voranzutreiben. Die Nachfrage an Batterien steigt daher stetig, wie auch ihre Produktion. Allerdings kommen die meisten Batterien immer noch aus Asien. Um die Zellfertigung in Deutschland und Europa voranzubringen, braucht es neue Technologien für die Massenproduktion.

Im neuen Forschungsprojekt IntelliSpin setzt die Hochschule Landshut gemeinsam mit der Technischen Universität München genau hier an. Unter der Leitung von Prof. Dr. Karl-Heinz Pettinger vom Technologiezentrum Energie in Ruhstorf a. d. Rott forschen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an einer neuen Technologie, die mittels Elektrospinning und Künstlicher Intelligenz die Herstellung von Batterien flexibler gestaltet und Kosten reduziert. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung fördert das Vorhaben mit einer Laufzeit bis voraussichtlich 31.Dezember 2023 im Rahmen des Clusters „Intelligente Zellproduktion“ mit insgesamt 888.000 Euro.

Wettbewerbsvorteile für Deutschland

Die Idee des Forscherteams ist, mithilfe von Elektrospinning bisher nicht-laminierbare Elektroden laminierbar zu machen und damit die Flexibilität in der Fertigung zu erhöhen. Pettinger ist sich sicher: „Wenn wir es schaffen, diese Technologie zu automatisieren und in die Prozesse der Industrie 4.0 zu integrieren, dann stärkt das den Wettbewerb von Unternehmen gegenüber großindustriellen Anlagen enorm. Damit unterstützen wir die Industrie, Investitionsentscheidungen zugunsten von Produktionsanlagen in Deutschland und Europa zu tätigen.“

Nanofasern als Lösung

Beim Laminieren werden abwechselnd positive und negative Elektroden mit dazwischen liegenden Separatoren übereinander geschichtet und im Anschluss daran mit einer Folie versiegelt. Aufgrund ihrer dünnen und leichten Bauweise sind laminierte Zellen flexibel in der Formgebung, liefern jedoch trotzdem viel Strom. Elektrodenrezepturen, die auf Wasser basieren und daher sehr umweltverträglich sind, können bis jetzt nicht laminiert werden.

Das will das Projektteam nun ändern, indem es auf diese Elektroden eine hauchdünne Schicht eines Spezial-Polymers aufträgt. „Dies geschieht mithilfe von automatisiertem Elektrospinning“, schildert der Landshuter Professor, „dabei werden chemische Materialien in feinste Fasern mit Durchmessern von wenigen Mikro- oder Nanometern versponnen.“ Die Forschenden sprühen dazu eine chemische Lösung in ein elektrisches Feld. Die Lösung wird von der Gegenelektrode angezogen und beschleunigt. Während dieses Prozesses verdunstet das Lösungsmittel und es bilden sich Nanofasern, die bis zu 1.000 Mal dünner als ein menschliches Haar sind und sich wie eine Art Vlies ablagern. Dabei kann das Team auf Ergebnisse aus dem Vorprojekt SpinnAp an der Hochschule Landshuter aufbauen.

Intelligente Vernetzung von Fertigungslinien

Unter Einsatz von Künstlicher Intelligenz vernetzen und optimieren die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler dieses Verfahren schließlich mit einer bestehenden Fertigungslinie. „Unser Ziel ist am Ende eine vollständig vernetzte Fertigungslinie. Sie befähigt die Batteriehersteller, Ausschussraten zu reduzieren, die Qualität und Lebensdauer der Zellen zu verbessern und die Produktion zu flexibilisieren“, stellt Pettinger in Aussicht.

Enge Zusammenarbeit der Batterie-Experten

Der Leiter des Technologiezentrums Energie (TZE) freut sich, dass er hierfür die Technische Universität München (TUM) als Kooperationspartnerin gewinnen konnte: „Im Projekt IntelliSpin kombinieren die Hochschule Landshut und die Technische Universität München ihre Kernkompetenzen in der Batterieproduktion.“

So zählt die teilautomatische Herstellung von Lithium-Ionen-Zellen zur Hauptexpertise des TZE, das über ein exzellent ausgestattetes Batterielabor mit Elektrospinning-Anlage verfügt. Das Landshuter Team rüstet dieses nun um und übernimmt die Zellfertigung sowie die elektrochemische Charakterisierung. Das Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswirtschaft der TUM erarbeitet hingegen die Steuerungskonzepte des automatischen Elektrospinnings und übernimmt die Analysen von Prozessen sowie die Entwicklung der KI-Modelle.

Quelle: Hochschule Landshut

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